一种光学防伪液晶元件的设计方法

1.本发明属于光学防伪技术和偏振光学领域，涉及一种多通道图像显示的液晶元件设计方法。


背景技术：

2.光学防伪技术是光学领域中非常重要的方向，能够保护信息的安全和减少假冒商品带来的经济损失。随着光学理论和加工手段的发展，防伪技术也在不断地更新换代，然而当前防伪技术存在设计方法复杂、加工难度大等问题，并且部分防伪手段易于破解，不适用于图像的加密和防伪。如何构建一种成本低、设计简单、防伪性能高的元件是亟需解决的问题。液晶作为一种低成本、可应用于批量化生产的材料，具有液体的流动性和晶体的各向异性，通过相对简单的设计和加工方法便可实现光波的振幅、偏振、相位等参数的自由调控。近年来，液晶已被用于实现特定的防伪功能，例如彩色隐形图案、光变薄膜等，但是这种液晶元件功能单一，仅能在特定的通道显示信息，并且相应的防伪信息易于破解，其防伪效果欠佳。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种光学防伪液晶元件的设计方法，该方法设计的液晶元件可以实现两个二值灰度图像的独立切换。本发明利用液晶优异的光场调控能力，将多种功能集成于一个元件中，从而拓展了液晶的应用，增强了防伪效果。本发明相较于之前设计方法，实现了更多的功能，使得元件的光学调控能力有质的飞跃，同时，该设计方法在信息容量和光学防伪的安全性方面具有更加卓越的性能。因此，这种设计方法拥有广阔的应用前景。
4.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
5.一种光学防伪液晶元件的设计方法，包括如下步骤：
6.步骤一、构建液晶阵列：
7.在基底上划分多个周期尺寸相同的单元，每个单元上均旋涂有相同旋转角度的液晶分子，从而构成液晶阵列，基底和其上的液晶阵列构成液晶元件，所述液晶元件具有两个显示通道，分别为通道1和通道2，通道1和通道2的光强随着液晶分子的旋转角度的变化而有规律的变化；
8.步骤二、线偏振光垂直入射通过液晶分子和检偏器时，出射光场可表示为：
[0009][0010]
其中，α1为偏振角度，α2为检偏角度，l和s分别为液晶分子的长轴和短轴，t
l
和ts表示液晶分子长轴和短轴的透射系数，θ为在x-y面内液晶分子长轴与x轴的夹角；
[0011]
步骤三、对液晶元件中通道1的光强进行灰度设计：
[0012]
当线偏振入射光通过液晶分子和检偏器后，出射光强度为：
[0013][0014]
其中，i0为入射光光强，i1为通道1的出射光光强；
[0015]
步骤四、对液晶元件中通道2的光强进行灰度设计：
[0016]
将液晶元件绕着光轴逆时针旋转角度β，此时出射光强度为：
[0017][0018]
其中，i2为通道2的出射光光强；
[0019]
步骤五、设计通道1中二值灰度图像1的液晶分子旋转角度：
[0020]
当α1和α2的关系满足|α
1-α2|＝π/2，且液晶元件的旋转角度为0时，出射光光强的归一化强度分布满足sin2(2θ)，将二值图中光强较小的像素的值定义为0，此时液晶分子对应的候选旋转角度为θ1和θ4；光强较大的像素的值定义为1，此时液晶分子对应的候选旋转角度为θ2和θ3；
[0021]
步骤六、设计通道2中二值灰度图像2的液晶分子旋转角度：
[0022]
当α1和α2的关系满足|α
1-α2|＝π/2，且液晶元件的旋转角度为β时，出射光光强的归一化强度分布满足sin2(2θ-2β)，将二值图中光强较小的像素的值定义为0，此时液晶分子对应的候选旋转角度为θ1和θ2；光强较大的像素的值定义为1，此时液晶分子对应的候选旋转角度为θ3和θ4；
[0023]
步骤七、结合步骤五和步骤六，将通道1和通道2的二值灰度图编码进4个2进制代码：“00”，“10”，“11”，“01”，每个代码分别对应通道1和通道2同一像素点光强的分布，并且4个代码一一对应了4个不同旋转角度的液晶分子，其中：液晶分子的旋转角度为θ1时，θ1对应二进制编码中的“00”；液晶分子的旋转角度为θ2时，θ2对应二进制编码中的“10”；液晶分子的旋转角度为θ3时，θ3对应二进制编码中的“11”；液晶分子的旋转角度为θ4时，θ4对应二进制编码中的“01”；
[0024]
步骤八、将液晶元件的每个单元都视为一个像素，逐个按照步骤五～七的方法调制每个像素点上液晶分子的旋转角度，当线偏振光入射液晶元件时，入射光的偏振和光强都被调制，透射后，通过检偏角度与入射光的偏振角度相差为π/2的检偏器，通道1的二值灰度图像可被收集到，此时将元件绕光轴逆时针旋转β后，通道2的二值灰度图像可被收集到；
[0025]
步骤九、按照步骤八得到每个像素中液晶分子的旋转角度，通过数字微镜器件系统制造液晶元件。
[0026]
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
[0027]
1、本发明无需复杂算法，更加容易进行防伪图案的私人化设计。本发明拥有两个无关联图像切换的能力，可实现双重防伪，隐蔽性好。此外，由于图像只有在指定的偏振光、元件旋转角度和检偏角度下才能显示，不容易被模仿和篡改，因此拥有着非常强的防伪效果。
[0028]
2、本发明利用了液晶材料，该材料加工制造方面比较简单，且成本较低，可以满足大规模批量生产的需求。
[0029]
3、本发明所设计的液晶元件，可以独立调控两个通道，并且相互不影响。两个通道的二值灰度图像清晰，有很好的对比度，且两个通道切换非常方便。
[0030]
4、由于本发明所设计的液晶元件，可以独立调控两个通道，所以两个图像之间并不存在关联，无法从其中一个通道的图像推演出另一个通道的图像，因此该技术可以为安全保密提供一种全新设计思路。
[0031]
5、本发明只利用了液晶分子角度的旋转即可实现双通道的独立设计，该方法并不会增加元件的加工制造难度，也不会影响两个图案的信息密度和成像质量。
附图说明
[0032]
图1为本发明的工作原理图。
[0033]
图2为本发明实施例中光学防伪液晶元件的效果图。
[0034]
图3为在不考虑材料色散情况下，本发明的液晶分子极化转换效率图。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
[0036]
本发明提供了一种光学防伪液晶元件的设计方法，所述方法包括如下步骤：
[0037]
(1)构建液晶阵列，所提出的元件包括了液晶分子和基底(玻璃)，每个液晶分子的大小、几何形状以及基底都是相同的，唯一不同的是液晶分子的转角θ，θ为在x-y面内液晶分子长轴与x轴的夹角。
[0038]
(2)线偏振光(偏振角度为α1)垂直入射通过液晶分子和检偏器(检偏角度为α2)时，液晶分子的出射光场可表示为：
[0039][0040]
其中，l和s分别为液晶分子的长轴和短轴，t
l
和ts表示液晶分子长轴和短轴的透射系数。
[0041]
(3)按照(2)，对液晶元件中通道1的光强进行灰度设计，当线偏振入射光通过液晶分子和检偏器后，出射光强度为：
[0042][0043]
其中，i0为入射光光强，i1为通道1的出射光光强。
[0044]
(4)对液晶元件中通道2的光强进行灰度设计，将液晶元件绕着光轴逆时针旋转角度β，此时出射光强则变化为：
[0045][0046]
其中，i2为通道2的出射光光强。从式(2)、式(3)中可以得到，当入射偏振光的偏振角度α1，检偏角度α2以及液晶元件旋转角度β确定后，通道1和通道2的光强变化只与液晶分子的旋转角度θ有关。
[0047]
(5)设计通道1中二值灰度图像1的液晶分子旋转角度(归一化强度分布满足sin2(2θ))：当α1和α2的关系满足|α
1-α2|＝π/2，且液晶元件的旋转角度为0时，出射光光强的归
一化强度分布满足sin2(2θ)。其中，将光强较小的值定义为0，此时液晶分子对应的候选旋转角度为θ1和θ4；将光强较大的值定义为1，此时液晶分子对应的候选旋转角度为θ2和θ3。
[0048]
(6)设计通道2中二值灰度图像2的液晶分子旋转角度(归一化强度分布满足sin2(2θ-2β))：当α1和α2的关系满足|α
1-α2|＝π/2，且液晶元件的旋转角度为β时，出射光光强的归一化强度分布满足sin2(2θ-2β)。将二值图中光强较小的值定义为0，此时液晶分子对应的候选旋转角度为θ1和θ2；将光强较大的值定义为1，此时液晶分子对应的候选旋转角度为θ3和θ4。
[0049]
(7)结合(5)和(6)，可以将两个通道的光强编码进4个2进制代码：“00”，“10”，“11”，“01”，每个代码分别对应了通道1和通道2同一像素点光强的分布，并且4个代码一一对应了4个不同旋转角度的液晶分子。其中：液晶分子的旋转角度为θ1时，θ1对应二进制编码中的“00”；液晶分子的旋转角度为θ2时，θ2对应二进制编码中的“10”；液晶分子的旋转角度为θ3时，θ3对应二进制编码中的“11”；液晶分子的旋转角度为θ4时，θ4对应二进制编码中的“01”。
[0050]
(8)按照(5)、(6)和(7)，逐像素排布液晶分子的旋转角度。当线偏振光入射所设计的液晶元件时，入射光的偏振和光强都被调制。透射后，通过检偏角度与入射光的偏振角度相差为π/2的检偏器，通道1的二值灰度图像可被收集到。此时将液晶元件绕光轴逆时针旋转β后，通道2的二值灰度图像可被收集到。得益于每个通道的成像只与旋转角度θ有关，且在不考虑材料色散的情况下，液晶分子在可见光波段有很高的极化转换率。
[0051]
(9)按照(8)得到每个像素中液晶分子的旋转角度，通过数字微镜器件(digital micro-mirror device,dmd)系统制造液晶元件。
[0052]
按上述方案可以实现两个相互独立的通道自由切换，从而实现防伪功能。并且，由于液晶分子在可见光波段有很高的极化转换率，因此上述方案在宽波段上有着很好的表现，大大减小了观测条件的限制，使其应用范围更加宽广。
[0053]
本发明解决了如下问题：
[0054]
(1)元件设计灵活，两个二值灰度图案可以分别设计，完全独立且相互没有串扰。
[0055]
(2)本发明拥有两个无关联图像切换的能力，可实现双重防伪，隐蔽性好。
[0056]
(3)由于液晶优异的光场调控能力，本发明实现了多种功能的集成，解决了传统光学器件体积大，光路复杂等问题，适用于光学元件的集成化、平面化发展。
[0057]
(4)由于液晶的加工制造工艺较为成熟，可以批量生产，所以液晶元件的生产比较简单，成本较低。
[0058]
实施例：
[0059]
本实施例设计的光学防伪液晶元件，当线偏振光通过液晶元件和检偏器(检偏角度与入射光的偏振角度相差为π/2)后，元件表面可以显示通道1的图像，然后将元件绕光轴逆时针旋转角度β后，其表面可以显示通道2的图像。
[0060]
本实施例中，所述光学防伪液晶元件包括基底和其上的液晶阵列。在638nm的工作波长下，每个液晶分子都拥有很高的极化转换效率。所述基底可采用熔融石英玻璃材料制成且将其划分为多个周期尺寸相同的单元，每个单元上均旋涂了相同旋转角度的液晶分子。如图1(a)所示，通道1和通道2的光强随着液晶分子的旋转角度θ的变化而有规律的变化。所述液晶元件包括两个通道，在通道1下，入射光为线偏振光，其通过所述液晶元件后，
由检偏角度与入射光偏振角度相差为π/2的检偏器进行检偏，从而使元件表面显示花的图像。在此时沿着光轴将液晶元件旋转β后，通道切换为通道2，此时入射光通过与通道1一致的光路，元件表面显示虫的图像。
[0061]
在通道1时，线偏振入射光(α1)经过液晶分子和检偏器(α2)后，其所出射光强为：
[0062][0063]
其中，θ为液晶分子与x轴的夹角，i0为入射光光强，i1为通道1出射光光强，l和s分别为液晶分子的长轴和短轴，而t
l
和ts分别表示液晶分子长轴和短轴的透射系数。此时将液晶元件绕光轴逆时针旋转角度β，进入通道2时，其出射光强则为：
[0064][0065]
其中，i2为通道2出射光光强。将液晶元件的每个单元都视为一个像素，逐个按照以下方案调制每个像素点上的液晶分子旋转角度：
[0066]
设计通道1中二值灰度图像“花”的液晶分子旋转角度(归一化强度分布满足sin2(2θ))：当α1和α2的关系满足|α
1-α2|＝π/2，且液晶元件的旋转角度为0时，出射光光强的归一化强度分布满足sin2(2θ)，如图1中channel 1曲线所示。将二值图中，光强较小(归一化强度小于0.3)的像素的值定义为0，此时液晶分子对应的候选旋转角度为θ1和θ4；将光强较大(归一化强度大于0.7)的像素的值定义为1，此时液晶分子对应的候选旋转角度为θ2和θ3。在这里说明，0.3或者0.7的选取不是唯一的，只要这两个强度的对比度足够分辨即可，如图1(a)中灰色部分。
[0067]
设计通道2中二值灰度图像“虫”的液晶分子旋转角度(归一化强度分布满足sin2(2θ-2β))：当α1和α2的关系满足|α
1-α2|＝π/2，且液晶元件的旋转角度为β时，出射光光强的归一化强度分布满足sin2(2θ-2β)。如图1中channel2曲线所示，将二值图中光强较小(归一化强度小于0.3)的像素的值定义为0，此时液晶分子对应的候选旋转角度为θ1和θ2；将光强较大(归一化强度大于0.7)的像素的值定义为1，此时液晶分子对应的候选旋转角度为θ3和θ4。在这里说明，0.3或者0.7的选取不是唯一的，只要这两个强度的对比度足够分辨即可，如图1(a)中灰色部分。
[0068]
随后，可以将两个通道的二值灰度图编码进4个2进制代码：“00”，“10”，“11”，“01”，每个代码分别对应了通道1和通道2同一像素点光强的分布，并且4个代码一一对应了4个不同旋转角度的液晶分子。如图1所示，当代码为“00”时，通道1和通道2的光强均要求小于阈值0.3，而当液晶分子的旋转角度为θ1时，sin2(2θ1)与sin2(2θ
1-2β)的值均小于0.3，故θ1对应了二进制编码中的“00”；同理，当编码为“10”时，通道1的光强大于阈值0.7，而通道2的光强小于阈值0.3，而当液晶分子的旋转角度为θ2时，sin2(2θ2)的值大于0.7而sin2(2θ
2-2β)的值小于0.3，故θ2对应了二进制编码中的“10”；当代码为“11”时，通道1和通道2的光强均大于阈值0.7，而当液晶分子的旋转角度为θ3时，sin2(2θ3)与sin2(2θ
3-2β)的值均大于0.7，故θ3对应了二进制编码中的“11”；当编码为“01”时，通道1的光强小于阈值0.3，而通道2的光强大于阈值0.7，而当液晶分子的旋转角度为θ4时，sin2(2θ4)的值小于0.3而sin2(2θ
4-2β)的值大于0.7，故θ4对应了二进制编码中的“01”。值得注意的是图1中液晶分子的候选旋转角度θ1，θ2，θ3和θ4并不仅限与这几个角度，只要旋转角度符合上述条件并且每个通道强
度的对比度足够分辨即可为候选角度。
[0069]
基于上述的原理和设计，所设计的光学防伪液晶元件通过逐像素排布液晶分子的旋转角度，可实现两个二值灰度图像的切换。液晶元件可以通过数字微镜器件(digital micro-mirror device,dmd)系统制造。为了制造高质量的元件，整个过程应在无尘环境下进行，具体过程如下：1、将厚度为1.1mm的玻璃基底进行超声波清洗、充分加热、紫外线照射并用压缩空气干燥；2、将磺化偶氮染料(solution of sulphonic azo-dye,sd1，0.5％)和二甲基酰胺(dimethylformamide,dmf，99.5％)所配的溶液滴在玻璃基底上并以合适的速度进行旋涂，生成均匀分布的取向层；3、利用dmd和不同的线偏振光来调制sd1的光取向，从而产生不同的图案；4、将结合了液晶材料rm257(14％)、光诱发计(irgacure184(1％))、甲苯(85％)的溶液均匀的滴在sd1层上，其中光取向材料sd1已经提供了液晶分子的取向方向(垂直于线偏振光的偏振方向)；5、用波长为365nm的非偏振光照射液晶使其聚合，得到所需的元件。上述加工方案已经比较成熟，可以在成本较低的前提下，进行大批量生产。
[0070]
本实施例中，以“花”作为通道1的图像，以“虫”作为通道2的图像，效果如图2所示。由于两个图像的显示仅仅与液晶分子转角有关，且相互独立没有串扰，所以图像之间并不存在着关联性，可以用于加密显示。且如图3所示，所述液晶分子在633nm波长处有最高的极化转换效率，并且在不考虑材料色散的情况下，可见光波段都拥有很高的极化转换率，所以所述元件在宽波段上有着很好的表现，这大大减少了观测条件的限制，使其应用范围更加广阔。本发明设计了一种光学防伪液晶元件，其可以实现两个二值灰度图像的显示和自由切换。